Бурса Фабрициуса и ее определяющая роль в развитии
advertisement
MERIAL AVIAN SCIENCE REVIEW ОБЗОР БУРСА ФАБРИЦИУСА И ЕЕ ОПРЕДЕЛЯЮЩАЯ РОЛЬ В РАЗВИТИИ В-КЛЕТОК И ПРОИЗВОДСТВЕ АНТИТЕЛ Б Е Р Н Д К АС П Е Р С П Р О Ф Е С С О Р Ф И З И О Л О Г И И Ж И В ОТ Н Ы Х У Н И В Е Р С И Т Е ТА М Ю Н Х Е Н А – Г Е Р М А Н И Я UNIVERSITY OF MUNICH - GERMANY Птица постоянно подвергается воздействию различных патогенов, таких как вирусы, бактерии, простейшие, гельминты и экто-паразиты (Рис.1) Рисунок 1 Вирусы Бактерии Грибы* Паразиты Врожденный иммунный ответ • Макрофаги, гетерофилы • Интерферон, комплемент, лизоцим • Ответ быстрый, память отсутствует Приобретенный иммунный ответ • В-лимфоциты, Т-лимфоциты • Иммуноглобулины, цитокины • Ответ отсроченный, иммунологическая память * Любезно предоставлено проф. Jacques Gullot – Veterinary School of Maisons-Alfort Эти микроорганизмы выработали уникальные и разнообразные стратегии для проникновения в организм хозяина, репликации и уклонения от системы защиты. С другой стороны, иммунная система развивалась как комплексный «орган» со множеством механизмов защиты для соответствующего ответа на обилие патогенов. Ответ может быть быстрым или отсроченным, присущим врожденной или приобретенной частям иммунной системы, соответственно. Часто врожденной иммунной системы достаточно для контроля инфекции, но если это не остается единичным случаем, будет активирована приобретенная иммунная система. Следует отметить, что обе системы тесно взаимодействуют; примеры такого сотрудничества будут приведены ниже. Приобретенная иммунная система включает В- и Т-лимфоциты, которые совместно обладают уникальным свойством: способностью запоминать предыдущий контакт с патогенами и вспоминать предыдущий случай при повторной инфекции, таким образом осуществляя быстрый и эффективный иммунный ответ. Данный обзор будет сфокусирован на системе В-лимфоцитов. Первое, будет представлен короткий обзор структуры и функций антител, первичного секреторного продукта В-клеток. Далее, будет обсуждено развитие В-клеток в процессе эмбриогенеза и роль бурсы. Наконец, будет объяснено, как В-клетки активизируются для производства антител и как приобретается иммунологическая память. Роль Т-лимфоцитов будет обсуждена только в контексте их взаимодействия с В-клетками. ◆ АНТИТЕЛА ◆ Антитела – это белки, которые производятся В- клетками и плазматическими клетками и секретируются в тканях и в крови (1). Так как они имеют сферическую (глобулярную) структуру, их также называют иммуноглобулинами. У кур присутствуют 3 типа иммуноглобулинов – IgM, IgY и IgA (Рис.2). Молекулы, гомологичные IgE млекопитающих, у птиц отсутствуют. Базовая структура иммуноглобулинов представлена Y-образной формой и состоит из двух легких и двух тяжелых цепей, связанных вместе дисульфидными мостиками (Рис. 2А). Один конец молекулы иммуноглобулина может связывать антиген, тогда как другой опосредует важные эффекторные Рисунок 2A Y-образные иммуноглобулины функции, когда антиген уже прикреплен. Первый иммуноглобулин, продуцируемый при иммунном Вариабельная часть антиген-связывающего сайта Легкая цепь ответе, это IgM (Рис.2В). Эта молекула состоит из Постоянная часть – эффекторные функции пяти базовых Y-образных единиц, соединенных в Тяжелая цепь форме пентамера, что позволяет молекуле связывать IgY множество антигенов одновременно. IgM в основном обнаруживается в крови и в небольшой степени на слизистых оболочках, в качестве Рисунок 2B Y-образные иммуноглобулины Y-образные иммуноглобулины секретируемого белка. В течение первичной инфекции Вариабельная часть и при ответе на вторичную инфекциюантиген-связывающего преобладающими Легкая цепь Вариабельная часть антиген-связывающе сайта Легкая цепь сайта иммуноглобулинами становятся IgY. IgY – мономеры, Постоянная часть – эффекторные функц Постоянная часть – эффекторные функции секретируются в Тяжелая высокой концентрации в крови цепь IgY (7-12 мг/мл), но на слизистых их обнаруживают в IgM Тяжелая цепь IgA сравнительно более низких количествах. В процессе формирования яйца из кровяного русла несушки IgY активно переносятся в яичный желток. Развиваясь, эмбрион поглощает содержимое желтка, IgY переносятся в систему кровообращения для защиты цыплят в критическое первое время после вылупления. Опсонизация Нейтрализация Нейтрализация и активация системы вируса В противоположность IgM и IgY иммуноглобулин IgA в кровитоксинов находят в небольших количествах. комплемента Опсониза и фагоци Однако IgA является наиболее распространенным иммуноглобулином в организме, так как он производится в очень больших количествах Рисунок 2C В-клетками слизистых оболочек и сразу секретируется в виде димеров или тримеров на их поверхности для предотвращения проникновения микроорганизмов. Антитела в процессе контроля инфекций действуют во многих направлениях. Тем не менее, их Нейтрализация активность ограничена межклеточным Опсонизация Опсонизация Нейтрализация токсинов вируса и активация системы и фагоцитоз комплемента пространством. Внутриклеточные патогены плохо контролируются антителами; примером являются вирусы в то время, когда они Нейтрализация токсинов Нейтрализация вируса иа Y-образные иммуноглобулины Вариабельная часть антиген-связывающего сайта Легкая цепь реплицируются внутри клетки, и внутриклеточные бактерии, такие как Рисунок 2D эффекторные функции сальмонелла, листерия или микобактерии. Тем не менее, в межклеточном Постоянная часть – Тяжелая цепь IgY пространстве и на поверхности слизистых антитела могут надежно IgM связывать растворимые молекулы или структурные компоненты микроорганизмов. Связывание бактериальных или грибковых токсинов антителами может нейтрализовать их токсическую активность, что хорошо известно на примере антител против столбнячного токсина, Нейтрализация токсинов индуцируемых в процессе вакцинации (Рис. 2С). Нейтрализация вируса Y-образные иммуноглобулины Опсонизация и активация системы комплемента Вариабельнаявирусные часть В случае вирусной инфекции антитела могут связывать антиген-связывающего Легкая цепь антигены в процессе виремии (IgY), сайта а также на поверхности Рисунок 2E Постоянная часть – эффекторные функции слизистых (IgА), и предотвращать инфицирование клеток посредством Тяжелая цепь IgY предотвращения взаимодействия вирус-клетка (Рис. 2D). Например, подобным образом действуют антитела, направленные IgM IgA против гемагглютинина вируса гриппа. Связывание антителами бактерий может опосредовать уничтожение Нейтрализация Опсонизация и активация системы комплемента Нейтрализация токсинов вируса последних разными путями. Адсорбция антител на поверхности бактерий называется опсонизацией, и приводит к активации комплемента, и, соответственно, лизису бактерий компонентами комплемента (Рис. 2Е). Более того, покрытые антителами бактерии могут быть распознаны Рисунок 2F гетерофилами и макрофагами, которые проведут фагоцитоз и уничтожат патогены. Чтобы идентифицировать опсонизированные микроорганизмы, фагоциты на своей поверхности несут рецепторы, которые связываются с антителами, покрывающими поверхность патогена (Рис.2F). Ни один из этих механизмов не может быть эффективно компенсирован Опсонизация Нейтрализация Нейтрализация и активация системы токсинов дефицитвируса при дефиците антител у птицы. Поэтому антител является комплемента угрожающим состоянием. Опсонизация и фагоцитоз Опсонизация и фагоцитоз ◆ РА З В И Т И Е В - К Л Е Т О К В БУ Р С Е ◆ В- клеточная система развивается в процессе эмбриогенеза и в первые несколько недель после вылупления. Центральным органом этого процесса является бурса Фабрициуса, которая связана открытым каналом с проктодеумом (Рис.3). Бурса обеспечивает условия для дифференциации незрелых В-клеток в полностью функциональные, продуцирующие антитела В-лимфоциты (2). Следовательно, хирургическое удаление бурсы или разрушение органа химикатами, токсинами или вирусами приводит к серьезной иммуносупрессии и высокой восприимчивости птицы к внедрению патогенов, что хорошо известно ветспециалистам птицеводам. С 8 по 15 день эмбрионального развития пре-бурсальные предшественники В-клеток («стволовые В-клетки») мигрируют из эмбриональных селезенки и костного мозга в бурсу (Рис.3.1.). Здесь они получают сигнал от тканей бурсы, который активирует программу созревания. Природа этих сигналов пока почти не известна. Тем не менее, интенсивно изучаются события, происходящие при развитии В-клеток в ответ на эти сигналы. Вначале бурса заселяется несколькими тысячами пре-бурсальных предшественников, в качестве первого шага, начинается их пролиферация и формирование агрегатов В-клеток, называемых бурсальными фолликулами (Рис. 3.2.). По оценкам, зрелая бурса содержит до 12 000 фолликулов, содержащих около 2х105 В-клеток каждый. Во время пролиферации В-клеток инициируются важные вторичные процессы, которые в конечном счете ведут к формированию миллиардов В-лимфоцитов, каждый из которых производит единственную уникальную молекулу антитела с уникальной связывающей способностью. Молекулярный механизм этого процесса хорошо известен и описан в деталях (3). Полностью созревшие В-клетки покидают бурсу и заселяют периферические ткани. Это событие начинается примерно с момента вылупления и продолжается до тех пор, пока бурса не исчезнет ко времени полового созревания птицы. Однако, созревание бурсы не завершается при вылуплении. В течение первых двух недель после вылупления фолликулы подвергаются структурной трансформации с развитием кортикального и мозгового слоев (Рис.3.3). Предполагается, что функции мозгового слоя, как вторичного лимфоидного органа, очень схожи с функцией селезенки, тогда как корковый слой генерирует новые В-клетки, которые продолжают заселять периферические лимфоидные органы (Рис. 3.4). Хирургическое удаление бурсы показывает, что этот орган Рисунок 3 Эмбрион Пролиферация В-клеток и закладка фолликулов: 12 день эмбрионального развития После вылупления Формирование коркового и мозгового слоя: первые недели после вылупления крайне важен, по крайней мере, до тех пор, пока цыпленок не достигнет 4-5 недельного возраста. К этому возрасту популяция В-клеток начинает появляться в селезенке, что позволяет сохранить В-клеточную систему курицы, у которой удалена бурса (4). Однако бурса остается все еще необходимой в течение следующих недель, чтобы гарантировать полную функциональность В-клеточной системы. Пре-бурсальные В-клетки в эмбриональной селезенке Эмиграция из бурсы в периферические органы и ткани, начинается примерно при вылуплении Колонизация бурсы, 8-15 день эмбрионального развития Селезенка и и другие лимфоидные органы посла вылупления ФУ Н К Ц И О Н И Р О ВА Н И Е В - К Л Е ТО К В О В Т О Р И Ч Н Ы Х Л И М Ф О И Д Н Ы Х О Р ГА Н А Х В-клетки, покидая бурсу, колонизируют вторичные лимфоидные структуры, в частности селезенку, илеоцекальные железы в кишечнике, лимфоидную ткань, ассоциированную с легкими (BALT – bronchus associated lymphoid tissue) и лимфоидные фолликулы в слизистых тканях. Здесь клетки вступают в контакт с патогенами или с антигенами вакцин. Как подчеркнуто выше, развитие В-клеток в бурсе приводит к появлению миллиардов клеток, каждая из которых продуцирует антитела с различными антиген-связывающими сайтами. Эти молекулы иммуноглобулинов заякориваются на поверхности клеточной мембраны, своим антиген-связывающим сайтом выступая во внешнюю среду (Рис.4, верхняя часть). Это иммуноглобулины типа IgM, экспрессированные как мономеры, они относится к рецепторам антигена В-клеток (BCR – B-cell antigen receptor). Связывание соответствующего антигена (антигена, который, по крайней мере, подходит к лунке) рецептором BCR активирует В-клетку и индуцирует ее пролиферацию и дифференциацию в антитело-секретирующую плазматическую клетку. В течение этого процесса плазматические клетки теряют рецепторы (BCR) с клеточной поверхности, но начинают синтезировать большое количество молекул иммуноглобулина и выделять их в ткани и в кровь. Этот процесс активации требует 5-6 дней, что объясняет, почему появление первых антиген-специфических антител IgM наблюдается примерно через неделю после вакцинации. антител их свойством класса низкое ранних IgM является антигенное сродство, которое является результатом недостаточного соответствия антигена и связывающего сайта на молекуле IgM. Этот недостаток руется пентамерной одновременное Нет соответствия Удачное соответствие пролиферация компенсиструктурой секретируемого IgM, которая позволяет Рисунок 4 Лимфоидные органы вне герминативных центров Характерным связывание множества сайтов, увеличивая, таким образом, общую связывающую Плазматическая клетка, секретирующая антитела Клетки памяти Герминативные центры в лимфоидных тканях ◆ ие ен юч а кл ре ласс к Пе Плазматическая клетка Пе Связывание антигена Плохое Отсутствие ре кл кл юче асс ни е а Очень хорошее Клетки памяти силу. Два свойства гуморального ответа восхищают иммунологов уже длительное время. Первое – появление антител классов IgY и IgA в период ответа на инфекцию, процесс, который называется «переключение класса иммуноглобулинов». Второе – производство антител с увеличивающейся силой связывания антигена, называемое «созревание аффинности». Оба события происходят в хорошо известных структурах лимфоидных тканей, герминативных центрах. У птицы эти центры, округлые структуры, обнаруживаются в селезенке, илиоцекальных ◆ ◆ железах и BALT (Рис. 4, фото). После первого столкновения с антигеном некоторые из пролиферирующих клеток начинают формировать герминативные центры. В течение этого процесса клетки продолжают делиться, и в то же самое время начинается мутация генов иммуноглобулинов (Рис. 4, нижняя часть). Эти мутации происходят в антигенсвязывающем сайте и изменяют его таким образом, что сила связывания либо не меняется, либо ухудшается, либо, преимущественно, улучшается. Только те В-клетки, у которых усовершенствовалась молекула иммуноглобулина, продолжают пролиферировать и, на следующем этапе, получают сигнал изменить класс иммуноглобулина с IgМ на IgY и IgA (переключение класса). Наконец, эти клетки дифференцируют в плазматические клетки и начинают секретировать большое количество своего иммуноглобулина. Окончательный исход процесса – это генерация антител, которые могут «захватывать» антиген более сильно и последовательно элиминировать его с наибольшей эффективностью. Это важный механизм, что проиллюстрировано значительно возрастающей восприимчивостью к инфекции у пациентов с повреждением процесса переключения классов иммуноглобулинов. Такие дефекты, хотя и редкие, описаны у человека и мышей, а также для линий кур. Надо отметить, что этот процесс при отсутствии Т-клеток не происходит. Критический сигнал для созревания аффинности обеспечивается так называемыми клетками Т-хелперами. Следовательно, отсутствие клеток Т-хелперов или функциональная недостаточность вызывает тяжелый иммунодефицит в системе В-клеток. Если созревание аффинности и переключения классов ведет к улучшению защиты, то формирование клеток памяти помогает животным очень быстро отвечать на повторную инфекцию секрецией высоко аффинных антител IgY и IgA. Клетки памяти, генерированные в герминативных центрах в течение первичной инфекции (Рис. 4), могут жить месяцы и годы. У мышей и человека эти клетки живут в костном мозге. Их местонахождение у птицы в основном не известно, но их существование установлено абсолютно. Индукция клеток памяти является первичной целью вакцинации. Первичная вакцинация ведет к генерации клеток памяти, которые реактивируются в процессе бустер-вакцинации или в случае инфицирования тем же самым агентом. Этот вторичный ответ генерирует большое количество В-клеток, происходящих из пула В-клеток памяти, которые продуцируют даже большее количество антител, с увеличивающейся силой связывания. К тому же, формируются новые клетки памяти, которые начинают действовать при следующем заражении соответствующим патогеном. ГАРАНТИЯ СОХРАННОСТИ ИММУННОЙ СИСТЕМЫ ПТИЦЫ ОТ РАЗРУШИТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ ВИРУСОВ БОЛЕЗНИ МАРЕКА И БОЛЕЗНИ ГАМБОРО
